Isolantes topológicos não são raros: A topologia está em toda a natureza

Redação do Site Inovação Tecnológica - 29/07/2022

Uma interpretação artística para a noção de que "A topologia está em toda parte" - as fitas de Mobius são visíveis de todos os ângulos do cubo, representando a onipresença das fases topológicas em materiais de estado sólido.
[Imagem: C. Pouss]

Isolantes topológicos

Nos últimos anos, emergiu uma nova classe de materiais com propriedades tão diferentes e estranhas que os pesquisadores se deram conta de que, se essas propriedades puderem ser exploradas, esses materiais podem criar uma nova onda tecnológica tão marcante quanto a dos semicondutores, que deram origem aos computadores e todos os eletrônicos que usamos hoje.

Essa classe é conhecida como isolantes topológicos, materiais que apresentam várias características interessantes porque suas propriedades eletroeletrônicas são diferentes em sua superfície e em seu interior - a topologia é uma extensão da geometria onde dois objetos são considerados equivalentes se puderem ser continuamente deformados um no outro sem precisar cortar, furar ou rasgar.

Mais do que ter superficialmente suas próprias propriedades, estas são propriedades intrinsecamente "protegidas" graças a fenômenos fundamentais, como a invariância de reversão temporal ou a simetria translacional - em termos simples, os elétrons vão percorrer o material sem qualquer interferência, seja por contato com outros materiais ou até mesmo por defeitos no próprio material.

As chamadas fases topológicas da matéria foram descobertas há apenas 15 anos, mas têm sido sugeridas aplicações suas desde a eletrônica e spintrônica até o armazenamento e manipulação de informações quânticas e a simulação de teorias exóticas da física de altas energias.

Embora vários materiais topológicos tenham sido descobertos desde então, sobretudo através da intuição química, os estados eletrônicos topológicos em materiais de estado sólido vinham sendo considerados raros e até "esotéricos".

Isso acaba de mudar radicalmente, graças ao trabalho que Maia Vergniory liderou ao lado de colegas da Alemanha, Espanha, EUA e França.

Vários indícios dessa topologia disseminada já haviam sido detectados nos experimentos, mas os cientistas não souberam como explicá-las.
[Imagem: Maia G. Vergniory et al. - 10.1126/science.abg9094]

A topologia está em tudo

A grande contribuição da equipe foi ter demonstrado que, ao se falar de isolantes topológicos é necessário levar em conta um elemento que até agora vinha sendo desconsiderado - a noção de topologia para cada banda eletrônica.

Quando esse elemento foi levado em conta, a equipe descobriu que mais da metade dos materiais 3D conhecidos na natureza são topológicos, ou seja, podem apresentar essas características científicas e tecnológicas tão interessantes.

Usando cálculos de primeiros princípios, a equipe fez simulações em computador procurando estados topológicos em todas as estruturas eletrônicas de todos os 96.196 cristais registrados na Base de Dados Estrutural de Cristais Inorgânicos, um repositório internacional onde ficam arquivados todos os materiais estudados experimentalmente.

Eles descobriram que 52,65% desses materiais naturais são topológicos.

Além disso, 2% dos materiais conhecidos são "supertopológicos", um estado em que cada banda eletrônica acima dos elétrons do núcleo fortemente ligados é topológica. Entre os materiais com supertopologia negligenciada está o bismuto, um dos materiais de estado sólido mais bem estudados historicamente.

Mais de 90.000 materiais conhecidos têm propriedades eletrônicas que permanecem imperturbáveis, ou "protegidas", como dizem os físicos.
[Imagem: Christine Daniloff/MIT]

Descobertas e aplicações

A equipe fez ainda outra descoberta surpreendente: Quase todos os materiais - quase 90% - contêm estados eletrônicos topológicos longe de seus números intrínsecos de elétrons, conhecidos como níveis de Fermi. Embora esses estados permaneçam inativos em muitas sondagens experimentais, eles ainda são facilmente acessíveis por meio de técnicas como dopagem química, controle eletrostático, pressão hidrostática e espectroscopia de fotoexcitação.

"Nossos resultados indicam que a topologia é uma propriedade fundamental da matéria até agora negligenciada," disse Vergniory. "Observando nossos dados, vimos surpreendentemente materiais com propriedades topológicas em todos os lugares."

Esta descoberta deverá dar um novo impulso ao já fervilhante campo de pesquisa dos isolantes topológicos, uma vez que os pesquisadores não precisarão mais ficar limitados aos seus atuais materiais "raros e esotéricos", o que poderá acelerar novas descobertas e, com sorte, acelerar as aplicações práticas tão promissoras desses materiais.

A propósito, já existe até um isolante topológico brasileiro, a jacutingaíta, e pesquisadores brasileiros recentemente projetaram um transístor feito com isolantes topológicos.

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